一种高能正离子束轰击正离子堆的可控核聚变装置的制作方法

本发明涉及核能领域，具体涉及一种采用加速器使正离子束加速到高能以轰击正离子堆的可控核聚变装置，以下简称轰击式核聚变装置。

背景技术：

1、目前科学界认为有三种方式来产生核聚变：1.重力场约束；2.惯性约束；3.磁约束。其中可行性较大的可控核聚变反应装置是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托克马克装置核聚变需要加热到1亿k，难度极大。

2、本发明另辟蹊径，提出第四种方式来产生核聚变：采用加速器使正离子束轰击原子堆或正离子堆实现可控核聚变的装置。粒子能量从电子伏特换算到开氏温度的关系为：1ev＝11605k，即1.16亿k约折合为1万ev的动能，这样就达到了托卡马克装置的核聚变温度。托卡马克装置中的粒子流是同方向的，两个1万ev的动能的粒子相撞，其撞击速度并不大。例如，高速公路上的高速车辆相撞的相对速度和撞击能量并不大，但是车辆与护栏的撞击速度和撞击能量非常大。所以，高速的正离子束轰击静止的正离子堆，所须的撞击能量应该小于1亿k所对应的动能1万ev。本文定义当直流电压为5000v～5000kv时统称为直流高压电。

3、因为原子堆在高电场强度下会产生电离，可能会变成正离子堆，所以为了叙述简单起见，以下将原子堆或正离子堆合称为正离子堆。

4、聚变反应中子的麻烦之处在于中子可以跟反应装置的墙壁发生核反应。用一段时间之后就必须更换，很费钱。而且换下来的墙壁可能有放射性，成了核废料。还有一个不好的因素是氚具有放射性，而且氚也可能跟墙壁反应。

5、氘氚聚变只能算”第一代”聚变，优点是燃料便宜，缺点是有中子。

技术实现思路

1、发明思路：通过加速器产生一个高能正离子束，撞击一个正离子堆，当撞击动能大于使它们产生核聚变阈值能量时，它们会产生核聚变。定义所述撞击为“核聚变撞击”。例如，当一个氘离子通过加速器加速到超过核聚变阈值撞击氚离子堆时，该氘氚会产生核聚变。

2、本发明提出了一种高能正离子束轰击正离子堆的可控核聚变装置，简称轰击式核聚变装置，其基本技术特征为

3、一根高绝缘性、良好的导热性及机械强度的正离子加速管12(以下简称加速管)；一个高压直流电源14及其正负高压线13/15，一对正负电极11/17及其引入端111/171，一对正负端部绝缘密封塞10/19；一个热能输出器24或26；一个密封罐18；一个正离子产生及注入器22；一个抽真空机23；

4、高压直流电源14通过正负高压线13/15分别连接到正负电极引入端111/171，正负端部绝缘密封塞10/19径向包埋住正负电极引入端111/171，并将正负电极11/17分别固定并密封于加速管12两端；热能输出器24或26装配于加速管12外壁上，将核聚变所产生的热能从加速管上导出；密封罐18将加速管12和热能输出器密封于其中；所述抽真空机23抽除加速管中的杂质气体；正离子产生及注入器22向加速管12的正极侧注入正离子；

5、在加速管12的负电极侧安装原子堆或输入正离子，对正负电极提供直流高电压后，所述正离子在负电极处形成正离子堆；当后续正离子被注入加速管12的正电极侧时，在直流高电压驱动下成为动能超过产生核聚变的阈值的高能正离子束，轰击负电极侧原子堆或正离子堆16，从而产生核聚变；通过电控阀221控制正离子束的大小以控制核聚变能量的大小，核聚变所产生的能量通过热能输出器24或26从加速管向外导出。

6、技术特征2：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述高压直流电源14的电压范围为5000v～5000kv。

7、技术特征3：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述加速管12和热能输出器24/26的材料采用氮化铝陶瓷，通过3d打印进行制造；氮化铝陶瓷具有高绝缘性、优良的导热性及机械强度。

8、技术特征4：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述热能输出器采用螺线管式热能输出器24结构，加速管12与螺线管式热能输出器24一体化。

9、技术特征5：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述热能输出器采用热交换片式热能输出器26结构，加速管12与热交换片式热能输出器26一体化。

10、技术特征6：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述密封罐18采用碳纤维复合材料。

11、技术特征7：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述轰击式核聚变核能产生装置中，所述正离子束的原子核的质子数不小于中子数，以减小产生外逸中子的概率；所述正离子包括原子序数为前20位的正离子，采用完全电离或深度电离的正离子。

12、技术特征8：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述轰击式核聚变核能产生装置中，所述正离子堆或原子堆的原子核的质子数不小于中子数，以减小产生外逸中子的概率；所述原子堆的原子序数包括全部原子序数，所述正离子堆包括原子序数为前20位的正离子，采用完全电离或深度电离的正离子。

13、技术特征9：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述轰击式核聚变的单能中子产生装置中，所述正离子束、正离子堆和原子堆的原子核的中子数大于质子数。

14、技术特征10：根据基本技术特征，其进一步特征是：加速管12的负电极侧形成原子堆或正离子堆16的方法，原子堆形成的方法是将负电极17卸开，将原子堆放入加速管；正离子堆形成的方法是通过正离子产生及注入器22向加速管输入正离子，对加速管施加高电压后，正离子聚集到负电极处，形成正离子堆。

技术特征：

1.一种高能正离子束轰击正离子堆的可控核聚变装置，简称轰击式核聚变装置，其基本技术特征为

2.根据基本技术特征，其进一步特征是：所述高压直流电源14的电压范围为5000v～5000kv。

3.根据权利要求1所述的轰击式核聚变装置，其进一步特征是：所述加速管12和热能输出器24/26的材料采用氮化铝陶瓷，通过3d打印进行制造；氮化铝陶瓷具有高绝缘性、优良的导热性及机械强度。

4.根据权利要求1所述的轰击式核聚变装置，其进一步特征是：所述热能输出器采用螺线管式热能输出器24结构，加速管12与螺线管式热能输出器24一体化。

5.根据权利要求1所述的轰击式核聚变装置，其进一步特征是：所述热能输出器采用热交换片式热能输出器26结构，加速管12与热交换片式热能输出器26一体化。

6.根据权利要求1所述的轰击式核聚变装置，其进一步特征是：所述密封罐18采用碳纤维复合材料。

7.根据权利要求1所述的轰击式核聚变装置，其进一步特征是：所述轰击式核聚变核能产生装置中，所述正离子束的原子核的质子数不小于中子数，以减小产生外逸中子的概率；所述正离子包括原子序数为前20位的正离子，采用完全电离或深度电离的正离子。

8.根据权利要求1所述的轰击式核聚变装置，其进一步特征是：所述轰击式核聚变核能产生装置中，所述正离子堆或原子堆的原子核的质子数不小于中子数，以减小产生外逸中子的概率；所述原子堆的原子序数包括全部原子序数，所述正离子堆包括原子序数为前20位的正离子，采用完全电离或深度电离的正离子。

9.根据权利要求1所述的轰击式核聚变装置，其进一步特征是：所述轰击式核聚变的单能中子产生装置中，所述正离子束、正离子堆和原子堆的原子核的中子数大于质子数。

10.根据权利要求1所述的轰击式核聚变装置，其进一步特征是：加速管12的负电极侧形成原子堆或正离子堆16的方法，原子堆形成的方法是将负电极17卸开，将原子堆放入加速管；正离子堆形成的方法是通过正离子产生及注入器22向加速管输入正离子，对加速管施加高电压后，正离子聚集到负电极处，形成正离子堆。

技术总结
一种高能正离子束轰击正离子堆的可控核聚变装置。在加速管12的负电极侧安装原子堆，当正离子被注入加速管12的正电极侧时，在直流高电压驱动下成为高能正离子束，轰击负电极侧原子堆16，从而产生核聚变；通过电控阀221控制正离子束的大小以控制核聚变能量的大小，核聚变所产生的能量通过热能输出器24从加速管向外导出。

技术研发人员：陈启星
受保护的技术使用者：陈启星
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19